半导体辐射探测器低频噪声测试系统设计与应用

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近年来,半导体辐射探测器被广泛地应用在空间粒子探测、核电工业、生物防护等领域。作为辐射粒子信息获取的首要元件,探测器需要工作在高温、高压、强辐射等极端环境下,因此对其抗辐照能力与可靠性研究至关重要。同时研究表明半导体器件的缺陷、失效与其低频噪声紧密相关。为此,本文设计了探测器测试系统,测量其低频噪声,为评估其抗辐照能力与可靠性提供依据。本系统模拟部分主要由低噪声前置放大器、二级放大直流偏移电路、可调截止频率低通滤波器、单端转差分及18位高精度模数转换电路构成。由于半导体探测器低频电流噪声低至pA Hz级别,容易被测量电路本底噪声淹没,故系统设计时重点研究低噪声前置放大器。基于fA级输入偏置电流、低等效输入电流噪声的静电计放大器,采用三档可调的跨阻放大器结构。后级电路对前置放大器输出的信号作进一步处理,包括抗混叠滤波、偏移量调节等。同时,MSP430 F5529单片机通过SPI、I~2C协议控制各电路模块并将系统采集到的探测器低频噪声数据通过USB传输到PC,以完成后续的谱估计与参数分析。系统设计并搭建完成后对其性能指标进行测量,包括在不同量程下的零偏、温漂、转换放大稳定度与线性度,同时也测量了系统自身输出噪声及其噪声功率谱密度。最后应用此系统测量实验室定制的碳化硅中子探测器,并检测到经过辐照后的探测器低频噪声明显增大。在频率1Hz处,其电流噪声的功率谱密度达到1259pA~2/Hz,未经辐照的探测器为0.1pA~2/Hz左右。同时,在100V偏压下辐照过的探测器直流漏电流为189nA,高于未经辐照的三个数量级。此系统能检测半导体探测器微弱的直流漏电流与电流噪声,并且准确度较高,可用于探测器性能退化及可靠性判断,具有重要的实用价值。
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